Fakulta stavební

Faculty of Civil Engineering

České vysoké učení technické v Praze

Fakulta stavební

Katedra materiálového inženýrství a chemie

VLASTNOSTI CEMENTOVÝCH KOMPOZITŮ SE

ZVÝŠENOU ELEKTRICKOU VODIVOSTÍ

Properties of cement-based composites with enhanced electrical

conductivity

Bakalářská práce

Praha 2017

Vedoucí bakalářské práce: Ing. Lukáš Fiala, Ph.D.

Čestné prohlášení:

Čestně prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma „Vlastnosti cementových

kompozitů se zvýšenou elektrickou vodivostí“ vypracoval samostatně a s použitím

uvedené literatury a pramenů.

V Praze, dne 13.2.2017 …………………….

Milan Walda

Dále souhlasím, aby má bakalářská práce byla používána ke studijním účelům

na ČVUT fakultě stavební bez mého písemného souhlasu.

Poděkování:

Rád bych poděkoval vedoucímu bakalářské práce Ing. Lukáši Fialovi, Ph.D.

za odborné vedení, pomoc a rady při zpracování této bakalářské práce.

Dále bych rád poděkoval doc. Jiřímu Litošovi, Ph.D. a doc. Ing. Karlu Kolářovi, CSc.

za poskytnutí rad, prostor a přístrojů experimentálního centra.

BIBLIOGRAFICKÉ ÚDAJE:

Název bakalářské práce: Vlastnosti cementových kompozitů se zvýšenou elektrickou

vodivostí

Pracoviště: Katedra materiálového inženýrství a chemie fakulty stavební ČVUT

Autor: Milan Walda

Studijní obor: Realizace pozemních staveb

Vedoucí práce: Ing. Lukáš Fiala, Ph.D.

Rok obhajoby: 2017

Abstrakt: Bakalářská práce se zabývá účinností uhlíkových vláken jako funkčního plniva

v běžném cementovém kompozitu pro zvýšení elektrické vodivosti. Práce je členěna

do dvou na sebe navazujících částí – teoretické a experimentální. V teoretické části

popisuji klasický cementový kompozit, cementový kompozit s přidaným funkčním

plnivem a jejich vlastnosti. Dále se zaměřuji na tzv. „chytré“ betony, jejich využití,

zlepšené vlastnosti a jakými funkčními plnivy jich lze dosáhnout. Obsahem

experimentální části jsou výsledky výzkumného měření mechanických a fyzikálních

vlastností cementového kompozitu po přidání uhlíkových vláken. Hlavním cílem práce

bylo zjistit, jaké hmotnostní zastoupení uhlíkových vláken v cementovém kompozitu

bude ideální pro zvýšení elektrické vodivosti, a přitom neoslabí mechanické vlastnosti.

Proto byly provedeny zkoušky pro zjištění pevnosti v tahu za ohybu a v tlaku dle

příslušné normy pro ztvrdlý beton ČSN EN 12390-1. Po všech provedených zkouškách

lze konstatovat, že přimíchání i malého množství uhlíkových vláken do běžného

cementového kompozitu, má kladný vliv na zlepšení elektrické vodivost a pevnosti v tahu

za ohybu.

Klíčová slova: cementový kompozit, uhlíková vlákna, vodivá plniva, elektrická vodivost,

tepelná kapacita, chytré konstrukce

BIBLIOGRAFICAL IDENTIFICATION:

Title of the bachelor thesis: Properties of cement-based composites with enhanced

electrical conductivity

Workplace: Department of Materials Engineering and Chemistry, Faculty of Civil

Engineering CTU

Author: Milan Walda

Study program: Implementation of buildings

Supervisor: Ing. Lukáš Fiala, Ph.D.

Year of presentation: 2017

Abstract: The bachelor thesis is focused on efficiency of carbon fibers as a functional

filler in regular cement composite to increase electrical conductivity. The thesis is divided

into two consecutive parts – theoretical and exprerimental. The theoretical part describes

classical cement composite, cement composite with added functional filler and their

properties. Then I focus on so-called “smart” concrete and its utilization, improved

properties and what functional fillers they can be achieved with. The experimental part

contains results of research measurements of mechanical and physical properties of the

cement composite after addition of carbon fibers. The main aim of this thesis was to find

out percolation threshold of amount of carbon fibers in the studied cement composite and

to find out whether it does not influence negatively mechanical properties. Therefore,

experiments have been conducted to determine the tensile strength, during the flexion and

under the pressure according to the relevant standards for hardened concrete CSN EN

12390-1. After all the tests it can be concluded that the addition of even small amount of

carbon fibers to a regular cement composite has positive influence on the improvement

of electrical conductivity, the tensile strength.

Key words: cement-based composite, carbon fibers, conductive fillers, electrical

conductivity, heat capacity, smart constructions

7

Obsah

Seznam použitých zkratek a cizích výrazů …………………….……………………….. 9

Úvod …………………………………………………………………………………... 10

TEORETICKÁ ČÁST ………………………………………………………………… 11

1. Kompozitní materiály …………………………………………………………….. 11

1.1 Definice kompozitních materiálů ....………………………………………... 11

1.2 Izotropie a anizotropie ……………………………………………………... 11

1.3 Synergický účinek ………………………...……………………………….. 12

1.4 Rozdělení kompozitních materiálů ………………………………………… 12

1.4.1 Podle velikosti částí výztuže …….…………………………………….. 12

1.4.2 Podle disperzní fáze …………………………………………………… 12

1.4.3 Kompozity podle typu matrice ………………………………………... 13

1.5 Matrice ……………………………………………………………………... 13

2. Cementový kompozit …………………………………………………………….. 14

2.1 Složky cementového kompozitu …………………………………………… 14

2.2 Vlastnosti cementového kompozitu ………………………………………... 20

2.2.1 Základní vlastnosti – objemová hmotnost, pórovitost, modul pružnosti . 20

2.2.2 Mechanické vlastnosti – pevnost ………………………………………. 22

2.2.3 Tepelně – fyzikální vlastnosti …………………………………………. 24

2.2.4 Elektrické vlastnosti …………………………………………………… 25

2.3 Cementový kompozit s přidanou vodivou fází ……………………………... 27

2.3.1 Typy chytrých betonů …………………………………………………. 28

2.3.2 Druhy vodivých fází ……………………………………………….….. 29

EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ………………………………………………………….. 34

3. Cementový kompozit s přidanými uhlíkovými vlákny …………………………… 34

3.1 Složení směsí ………………………………………………………………. 34

3.2 Homogenizace uhlíkových vláken …………………………………………. 36

3.3 Příprava směsí ……………………………………………………………… 39

3.4 Výroba vzorků ……………………………………………………………... 41

3.5 Experimentální výsledky ...………………………………………………… 41

3.5.1 Objemová hmotnost …………………………………………………… 41

3.5.2 Dynamický modul pružnosti …………………………………………... 42

8

3.5.3 Pevnost v tahu za ohybu ……………………………………………….. 43

3.5.4 Pevnosti v tlaku ………………...……………………………………… 44

3.5.5 Měrná elektrická vodivost ……………………………………………... 45

3.5.6 Tepelné vlastnosti ……………………………………………………... 46

4. Diskuze …………………………………………………………………………… 48

5. Závěr …………………………………………………………………………...… 50

Seznam použité literatury a zdrojů ……………………………………………...……... 51

Seznam použitých tabulek ………………………………………………………...…... 55

Seznam použitých obrázků ……………………………………………………...…….. 56

9

Seznam použitých zkratek a cizích výrazů:

CB – Carbon black (Uhlíkové saze)

CF – Carbon fibers (Uhlíková vlákna)

CFP – Carbon fiber powder (Prášek z rozemletých uhlíkových vláken)

CNF – Carbon nanofibers (Uhlíková nanovlákna)

CNT – Carbon nanotubes (Uhlíkové nanotrubičky)

De-icing concrete – Beton se schopností samoohřevu používaný u rozmrazování vrchní

vrstvy

GP – Graphite powder (Grafitový prášek)

HPC – Hight-performance concrete (Vysokohodnotný beton)

HSC – Hight-strenght concrete (Vysokopevnostní beton)

Magnetic-shielding concrete – Beton se schopností elektromagnetického stínění

MWCNT – Multi-walled carbon nanotubes

NP – Nickel powder (Niklový prášek)

SWCNT – Single-walled carbon nanotubes

Self-heating concrete – Beton se schopností samoohřevu

Self-sensing concrete – Beton se schopností detekce stupně degradace

SF – Steel fibers (ocelová vlákna)

UHPC – Ultra-hight performance concrete (Ultravysokohodnotný beton)

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0254058409002181

10

Úvod

Motivace

V současné době se intenzivně navrhují a zkoumají vlastnosti takzvaných

“chytrých”/”smart” kompozitů. Jde převážně o materiály na bázi cementu, u kterých jsou

pomocí vhodných elektricky vodivých příměsí upraveny elektrické vlastnosti tak,

že umožňují aplikaci výsledných kompozitů v sofistikovaných řešeních, jako jsou

systémy pro počítání počtu průjezdů automobilů na silnicích, systémy pro stínění

elektromagnetických vln, kompozity, které jsou schopné detekovat míru porušení vlastní

vnitřní struktury nebo systémy, které jsou schopné generovat teplo např. pro účely

ohřívání nebo odmrazování povrchu. Tyto materiály kromě dobrých mechanických

vlastností vykazují i zvýšenou elektrickou vodivost, které je dosaženo přidáním vhodného

množství elektricky vodivé příměsi/vodivých příměsí. Hlavní motivací bakalářské práce

je zlepšení elektrické vodivosti referenční cementové malty pomocí přídavku uhlíkových

vláken tak, aby bylo možné výsledný produkt považovat za „chytrý materiál“ dále

využitelný v praktických aplikacích.

Cíl práce

Práce si klade za cíl návrh a přípravu elektricky nevodivé cementové malty

(referenční materiál) a cementových malt s přídavkem uhlíkových vláken v hmotnostním

zastoupení 1%, 2%, 3%, 3,5%. U jednotlivých směsí budou sledovány základní, tepelné,

mechanické a elektrické vlastnosti. Na základě výsledků bude provedena diskuze nad

změnou sledovaných vlastností v závislosti na množství přidaných uhlíkových vláken a

bude zhodnoceno zlepšení elektrických vlastností v závislosti i na množství přidané

elektricky vodivé fáze.

Rozsah práce

V rámci bakalářské práce byla provedena analýza současného stavu testování

cementových kompozitů se zlepšenými elektrickými vlastnostmi (state of the art),

připraveny vzorky pro stanovení základních vlastností materiálů – (objemová hmotnost),

tepelných vlastností materiálu – (součinitel tepelné vodivosti, objemová/měrná tepelná

kapacita, součinitel teplotní vodivosti) – mechanické vlastnosti – (pevnost v tahu za

ohybu, pevnost v tlaku) a elektrické vlastnosti – (měrná elektrická vodivost).

11

TEORETICKÁ ČÁST

1. Kompozitní materiály

Jedna z definic kompozitního materiálu zní: „Jakýkoli materiál, který není čistá látka

a obsahuje více než jednu složku, může být teoreticky klasifikován jako kompozitní

materiál“ (Javitz, A. E.: Design. 1965, s 64).

1.1 Definice kompozitních materiálů

Kompozitní materiály jsou kombinací minimálně dvou nebo více materiálů (např.

vyztužovací prvky, výplně a spojovací matrice) rozdílných pouze v makroměřítku tvarem

nebo složením. Složky si v nich zachovávají svou totožnost (tzn. vzájemně se úplně

nerozpouštějí ani neslučují), ačkoliv na své okolí působí v součinnosti. Většina

uspořádání je taková, že vyvolává jejich anizotropii. Materiál považujeme za anizotropní,

pokud jeho mechanické vlastnosti v různých směrech jsou odlišné. V kompozitu je

dosahováno tak dobrých vlastností, kterých by nebylo možno dosáhnout pouhou sumací

jednotlivých materiálů – synergický účinek. [1]

1.2 Izotropie a anizotropie

U vláknitých kompozitů s uspořádanými vlákny (uhlíkovými, skleněnými) se jejich

pevnost (tuhost) velmi liší, dokonce o několik řádů. Proto je potřeba anizotropií

u kompozitů vždy brát v potaz.

Základní rozdělení:

Izotropní materiál: jde o materiál, u kterého nezávisí na směru působení síly, protože má

ve všech směrech stejné mechanické vlastnosti.

Anizotropní materiál: vlastnosti takového materiálu značně ovlivňuje směr vláken

umístěných v kompozitu. Má jiné mechanické vlastnosti po směru vláken a jiné kolmo

na ně. [1]

12

1.3 Synergický účinek

Jde o efekt, kdy v kompozitu dochází ke kombinaci kladných vlastností jeho složek

tak, že celek přesahuje pouhou sumaci vlastností složek. U kompozitů je výhodné,

aby byl tento účinek co nejefektivnější. Především potom v těch vlastnostech, na které

se kladou vyšší nároky. [1]

1.4 Rozdělení kompozitních materiálů

1.4.1 Podle velikosti částic výztuže

Druhy jednotlivých částí výztuže jsou znázorněny na Obr. 1:

• Nanokompozitní materiály – rozměry výztuže mají v jednotkách nanometrů, jsou

používány především ve zdravotnictví a výpočetní technice

• Mikrokompozitní – největší příčné rozměry se pohybují v rozmezí 100-102 µm,

využití je především v průmyslu

• Makrokompozitní – mají výztuž o rozměrech příčného rozměru 100-102 nm,

takové výztuže jsou používány ve stavebnictví. [1]

1.4.2 Podle disperzní fáze

Kompozity musí obsahovat alespoň jednu složku, která je v celém rozsahu spojitá

a určuje tak tvar a rozměry. Tato složka je označována jako matrice. Ostatní složky jsou

v matrici rozptýleny (dispergovány). Podle disperzní fáze se kompozity dělí na 3 základní

typy:

Kompozit prvního typu: jde o typ kompozitu, který obsahuje disperzní látku (jednu nebo

více) z pevné fáze. Používaný je především v technice.

Kompozit druhého typu: má kapalnou disperzi. Tento typ je méně často používaný, patří

do něho pórovité struktury s póry vyplněnými např. olejem. Kapalina může být

v otevřených nebo uzavřených pórech.

Kompozit třetího typu: má plynnou disperzi. Patří sem především pěnové materiály

a různé vláknové struktury. [2]

13

1.4.3 Kompozity podle typu matrice

• Vláknitá (polymerní) matrice

• Kovová matrice

• Keramická matrice

• Skleněná nebo sklokeramická matrice

• Uhlíková matrice [2]

1.5 Matrice

Jde o pojivo výztuže v polymerních kompozitech. Úkol matrice je chránit výztuž

před působením vnějších vlivů. Vlákna musí být v kompozitu uchycena tak, aby mohla

odvádět zatížení, které bude působit na konstrukci. Tažnost matrice je vyžadována vyšší,

ale vlákna musí mít větší pevnost.

Parametry ovlivňující vlastnosti kompozitů:

• Vlastnosti fází, tj. mechanické, tepelné, elektrické vlastnosti a jejich poměr

(pevnost, moduly pružnosti, Poissonův součinitel, pracovní diagram, mezní

přetvoření) a izotropie, anizotropie a ortotropie, což je vlastnost, kterou

se označuje závislost určité veličiny na volbě směru. Vlastnosti jsou v různých

směrech různé.

• Objemové zastoupení fází, jejich geometrický tvar a jejich geometrické

uspořádání v systému včetně pórů, tj. třeba množství, orientace a průměrné

vzdálenosti dispergované fáze.

• Interakce neboli vzájemné působení jednotlivých fází a vlastnosti styku, tedy

schopnost přenosu zatížení z matrice do vyztužujících částic.

• Historie materiálu i fází od jejich vzniku, která zahrnuje především časové

faktory, technologii výroby apod. [3]

Obr. 1: Dělení kompozitních materiálů podle tvaru a uspořádání výztuže. [4]

14

2. Cementový kompozit

Cementový kompozit je stavební materiál, který se skládá z cementu, kameniva,

vody, příměsí a přísad (viz. Obr. 2). Dle druhu kameniva (jemné, hrubé) rozlišujeme

několik základních cementových kompozitů: cementovou pastu, cementovou maltu

a beton. Smícháním cementu s vodou se nastartuje chemická reakce - hydratace.

U hydratace je důležitým faktorem teplota, která musí být vyšší než 5°C. Když této

teploty není dosaženo, dochází k zastavení hydratace a tím pádem i tuhnutí a tvrdnutí.

V těchto případech nám pomáhají příměsi a přísady, které mají na hydrataci zásadní vliv.

K tuhnutí u běžného cementového kompozitu bez použitých přísad nebo příměsí dochází

již po několika hodinách. Tvrdnutí je dlouhodobý proces, ale značný nárůst pevnosti

je viditelný po 28 dnech. Proto se po této době provádí zkoušky mechanických

vlastností. [5]

Obr. 2: Poměr směsí zastoupené v cementovém kompozitu. [35]

2.1 Složky cementového kompozitu

Pojivo – Cement

Cement je hydraulické pojivo. Jedná se o jemně mletý anorganický materiál, který

po smíchání s vodou vytváří kaši, která v důsledku chemické hydraulické reakce tuhne

a tvrdne. Cement se vyrábí společným vypalováním vápence a jílu při teplotách okolo

1450 °C. Vyrobený slínek se pak rozemílá, někdy i s příměsemi (vysokopecní struskou,

trasem, popílkem). Vzniklý šedivý prášek – cement – smíchaný s vodou vytváří

75%

13,40%

7,70%

3,80% 0,10%3,90%

Složky

Kamenivo Cement Voda Příměsi Přísady

http://www.ebeton.cz/pojmy/cementhttp://www.ebeton.cz/pojmy/kamenivohttp://www.ebeton.cz/pojmy/vodahttp://www.ebeton.cz/pojmy/primesihttp://www.ebeton.cz/pojmy/prisadyhttp://www.ebeton.cz/pojmy/hydratacehttp://www.ebeton.cz/pojmy/vysokopecni-struska

15

pojivovou (hydraulickou) složku betonu, která tvrdne na vzduchu i pod vodou. Během

probíhajících chemických pochodů vznikají jemné krystaly s různým chemickým

složením, vzájemně prorůstající a mající vliv na pevnost. Vzniklý „cementový kámen”

si zachovává pevnost a objemovou stálost. [6]

Množství a typ cementu (viz. Tab. 1) ovlivňuje pevnost, vodotěsnost, přídržnost

a zlepšuje odolnost výztuže proti korozi, i modul pružnosti, ovšem za cenu zvýšení

smrštění (možnost trhlinek) a vývoje zvýšeného hydratačního tepla. [6]

Tab. 1: Rozdělení cementů dle ČSN EN 197-1. [6]

CEM I – Nejpoužívanějším cementem je Portlandský cement s označením CEM I. Vyrábí

se pouze jeden typ, který obsahuje nejméně 95% slínku. Výhodou cementu CEM I

je poměrně rychlý nástup počáteční pevnosti. Této vlastnosti se hojně využívá

u konstrukcí, které je třeba rychle odbedňovat. Rychlý hydratační proces zapříčiňuje

nárůst hydratačního tepla, což je výhodou při betonování při nízkých teplotách (5°C). [7]

CEM II – Jedná se o soubor cementů, které se liší podle typu přísad (Tab. 2). Ty ovlivňují

velké množství vlastností, které cement vykazuje při tvrdnutí, smršťování a konečné

pevnosti. [7]

Tab. 2: Příměsi v cementu CEM II. [7]

TYP CEMENTU SLOŽENÍ

CEM I Portlandský cement

CEM II Portlandský cement směsný

CEM III Vysokopecní cement

CEM IV Pucolánový cement

CEM V Směsný cement

Příměsi jsou zadávány v % hmotnosti

~

6-3565-94

35-64 36-65 ~ ~ ~ ~

6-35

65-94 ~ ~ ~ ~ ~ ~ 6-35 ~

~

~ ~ ~ ~ ~

~ ~ ~

65-94 ~ ~ ~ ~ 6-35 6-35 ~ ~

6-35 ~ ~ ~ ~65-94

90-94 ~ 6-10 ~ ~ ~ ~ ~ ~

65-94 6-35 ~ ~

6-35

65-94 ~ ~

Por. směsný cement

Por. pucolánový

cement

Por. popílkový

cement

Por. cement s

kalcinovanou břidlicí

Por. cement s

vápencem

Kalcinovaná

břidlice (T)

Vápenec

(L)

Por. struskový

cement

Por. cement s

křemičitým úletem

~ ~ ~ ~ ~

Vysokopecní

struska (S)

Křemičitý úlet

(D)

Pucolán přírodní

(P)

Pucolán

průmyslový (Q)

Popílek křemičitý

(V)Název cementu

Slínek

(K)

Popílek vápenatý

(W)

http://www.ebeton.cz/pojmy/pevnost-betonuhttp://www.ebeton.cz/pojmy/hydratacni-teplo

16

CEM III – Jde o cement, který obsahuje vysoké množství vysokopecní strusky. Poměr

příměsí je 5-34% slínku a 66-95% vysokopevnostní strusky. Je vyznačován pomalým

nárůstem pevnosti, nízkým vývinem hydratačního tepla a vykazuje vysokou odolnost

proti agresivnímu prostředí a vysokým teplotám. Je ideální pro betonáž masivních

konstrukcí v horkém létě, pevnostně dosahuje jen nižších tříd. [7]

CEM IV – Pucolánový cement je vyznačován pomalým nárůstem počáteční pevnosti.

Skládá se z 45-89% slínku, 11-65% křemičitého úletu, přírodního a průmyslového

pucolánu a křemičitého popílku. Je vhodný pro mokré prostředí, dobře odolává i slané

mořské vodě. [7]

CEM V – Směsný cement dosahuje nejnižších pevností. Proto se hodí se na nenáročné

podlahy a potěry. Je složený z 20-64% slínku, 18-50% vysokopecní strusky, 18-50%

křemičitého popílku, průmyslového a přírodního pucolánu. [7]

Pevnostní třídy cementu klasického (N) a rychle tuhnoucího (R)

Cement dělíme dle ČSN EN 196-1 podle dosahovaných pevností v daných časových

intervalech od počátku hydratačního procesu do pevnostních tříd uvedených v tabulce 3.

Pevnostní

třídy

Pevnost v tlaku [Mpa] Počátek

tuhnutí

[minut]

Objemová

stálost

[mm]

Počáteční pevnost Normalizovaná pevnost

2 dny 7 dnů 28 dnů

32,5 N ---- ≥ 16,0 ≥ 32,5 ≤ 52,5 ≥ 75

≤ 10

32,5 R ≥ 10,0 ----

42,5 N ≥ 10,0 ---- ≥ 42,5 ≤ 62,5 ≥ 60

42,5 R ≥ 20,0 ----

52,5 N ≥ 20,0 ---- ≥ 52,5 ---- ≥ 45

52,5 R ≥ 30,0 ----

Tab. 3: Minimální tlakové pevnosti cementů typu R a N. [7]

17

Plnivo – Kamenivo

Kamenivo je zpravidla chemicky neaktivní zrnitý materiál. V cementovém

kompozitu se vyskytuje z důvodu nižší ceny v porovnání s cementem a díky zastoupení

v množství 65-75% celkového objemu betonu zajišťuje lepší objemovou stabilitu,

trvanlivost a má velký vliv na pevnost, a to zejména u vysokohodnotného betonu.

Na kamenivo se klade důraz v několika ohledech. Nesmí obsahovat problematické

množství chemických látek. Jde např. o chloridy (max. 0,5%), které způsobují korozi

výztuže, nebo sírany (max. 2%), které způsobují popraskání betonu z důvodu

objemových změn způsobených ettringitem. Ani působení mrazu se nesmí v kamenivu

zanedbávat. Beton, který je vystaven střídavému rozmrazování a zmrazování musí

obsahovat kamenivo odolné proti mrazu. To platí i pro betony, u nichž byly použity

provzdušňovací přísady. [8]

Základní zkoušky vlastností zrnitých materiálů:

• Zrnitost: je rozdělení velikosti zrn dle normy ČSN EN 12620 kameniva

do betonu . Naším cílem je vytvoření kostry kameniva, ve které jsou mezery mezi

různými frakcemi kameniva minimální. To se zajistí tím, že se volí drobné frakce,

které se dostanou do mezer mezi hrubší frakci. Zrnitost kameniva

se stanovuje pomocí sítového rozboru. Jedná se o sadu normových sít

s definovanými velikostmi ok: jemné kamenivo do 4 mm, hrubé do 63 mm. Počítá

se procentuální propad a zůstatek na jednotlivých sítech. Z naměřených údajů

se zhotoví křivka zrnitosti, která by se neměla příliš lišit od ideální křivky zrnitosti

– jedná se o normově definovanou křivku, která vyznačuje ideální smíchání

drobného a hrubého kameniva. Drobné kamenivo reprezentuje 0-4 mm, hrubé

kamenivo 5-16 mm, drti 20-32 mm a lomový kámen 63-125 mm. [8]

• Vlhkost: je jedním z nejdůležitějších faktorů, které se u kameniva zjišťují. Má

velký vliv na celkovou kvalitu betonu. Týká se to především pevnosti, pórovitosti,

trvanlivosti a také zpracovatelnosti. Má zásadní vliv na celkový vodní součinitel

(w/c) a jeho změna také ovlivňuje výslednou tlakovou pevnost. [8]

• Nasákavost: je množství vody, které je schopné kamenivo pojmout otevřenými

póry a kapilárami za určitou dobu (standardně 24hod). Stanovení objemové

hmotnosti nasáklého kameniva se určuje pyknometrickou metodou nebo vážením

na hydrostatických vahách. [8]

18

• Objemová hmotnost: je hmotnost jednotkového objemu kameniva.

Dělí se na: Pórovité kamenivo 3000 kg m-3 [9]

• Pórovitost: udává procentuální podíl pórů v zrnech kameniva a je dán vztahem

P = 100 . (1−𝜌𝑣

𝜌𝑚𝑎𝑡) [%]

𝜌𝑣 = objemová hmotnost [kg m-3]

𝜌𝑚𝑎𝑡 = hustota matrice [kg m-3]. [9]

• Pevnost stlačení ve válci: stanovuje se jako tlaková pevnost vlastní hmoty

kameniva (např. výřezem zkušební krychle matečné horniny). Pevnost kameniva

je mnohonásobně větší než samotná pevnost betonu. Minimální požadovaná

pevnost kameniva v betonu je 40-100 MPa. [9]

Voda

Voda je jednou ze tří nejdůležitějších složek betonu (společně s cementem

a kamenivem). Po smíchání vody a cementu dochází k hydrataci, která má za následek

tuhnutí a tvrdnutí. Musí se dbát na správné množství vody v poměru k cementu (w/c).

Velké množství vody má za následek snížení kvality betonu z hlediska pevnosti

a trvanlivosti. Množství vody a tím i konzistence se zjišťuje např. zkouškou sednutí

kužele – zkouška spočívá v měření poklesu výšky (sednutí) betonového vzorku, který byl

původně naplněn do formy tvaru Abramsova kužele (viz. Tab. 4). [8]

Velké množství vody = vysoký vodní součinitel w/c zvyšuje pórovitost a tím zhoršuje

mechanické vlastnosti. Dochází k větším objemovým změnám a většímu dotvarování,

což může mít za následek tvorbu mikrotrhlin. [8]

Třída konzistence Sednutí [mm] Zažité označení

S1 10–40 Tuhá

S2 50–90 Plastická

S3 100–150 Měkká

S4 160–210 Velmi měkká

S5 > 210 Tekutá

Tab. 4: Stupně konzistence a sednutí kužele. [8]

19

Přísady

Tato složka je do směsi přidávána ihned při výrobě nebo v jeho průběhu. Přísady jsou

používány především pro snížení nákladů na konstrukce, pro změny ztvrdlého betonu,

pro zvýšení kvality, lepšímu ukládání a zpracování. Účinnost přísad závisí na druhu

a množství cementu, obsahu vody, teplotě okolního prostředí. Chemické přísady

do betonů a malt se dělí do několika skupin dle ČSN EN 934-1. [10]

Provzdušňovače: používají se především u konstrukcí vystavovaných účinkům

mrazu a chemickým rozmrazovacím látkám (silniční a mostní konstrukce). Jsou to látky

vytvářející v čerstvém cementovém kompozitu velké množství uzavřených vzduchových

pórů. Vytvořené vzduchové póry jsou možným prostorem pro zvětšující se objem

krystalků ledu. Velikost takto vytvořených pórů se pohubuje od 0,05 mm do 0,3 mm.

Jako provzdušňující přísady se používají např. mýdla přirozených pryskyřic. [11]

Plastifikátory: jsou přísady, zlepšující zpracovatelnost cementového kompozitu

a snižující požadované množství vody (5-10%). To má za následek zvýšení pevnosti

ztvrdlého betonu. Klesá riziko vzniku smršťovacích trhlin a snížení objemových změn.

Jde např. o polykarboxyláty, hydrolyzáty bílkovin. [11]

Zpomalovače tuhnutí: jde o složky oddalující dobu tuhnutí, tím udržují kompozit

delší dobu ve zpracovatelné formě. Důvodem pro používání těchto přísad je nepřízeň

počasí, kdy při vysokých teplotách dochází ke zvýšené rychlosti tuhnutí. Většina

zpomalovačů má také plastifikační a provzdušňovací vlastnosti. Jde např. o fosforečnany,

oxikyseliny, sacharidy. [11]

Urychlovače tuhnutí: mají opačný vliv na tuhnutí kompozitu. Vyžaduje se u nich

rychlý nárůst počáteční pevnosti a používá se především při betonování za nízkých teplot.

Jde např. o uhličitan sodný a draselný, hlinitany a křemičitany. [11]

20

Příměsi

Většinou jsou to práškovité látky přidávané do čerstvého betonu pro zlepšení

některých vlastností. Dělí se dle normy EN 206 na dva základní typy:

Interní příměsi: nezúčastňují se hydratace betonu a nejčastěji se jedná o jemně mleté

kamenivo (filler) nebo pigmenty.

Latentně hydraulické látky: mají skrytou schopnost účastnit se hydratačního procesu tak,

že při reakci s Ca(OH)2 tvrdnou ve vodním prostředí. To se ukáže po přidání aktivátoru

(cementu). Latentně hydraulické látky jsou např. popílek, křemičité úlety. [9]

2.2 Vlastnosti cementového kompozitu

2.2.1 Základní vlastnosti – objemová hmotnost, pórovitost, modul pružnosti

Objemová hmotnost

Bavíme-li se o běžném prostém betonu, objemová hmotnost se pohybuje od 2000

do 2600 kg/m3. Tyto hranice se rozšiřují podle použití různých druhů kameniva nebo

zpevňujících přísad do intervalu 400 kg m-3 až do 6000 kg m-3. Lehké betony se používají

do konstrukcí, kde je vyžadováno snížení hmotnosti. Snížení hmotnosti se docílí

například použitím lehčeného kameniva (polystyrenové granule) což má za následek

zlepšení tepelně izolačních vlastností. Těžké betony se používají jako stínící konstrukce

před nebezpečným zářením (radiace, výzkumné laboratoře). Dle normy ČSN EN 206-1

se betony dělí podle objemové hmotnosti na:

• Lehký beton: ρ 2600 kg m-3 [12]

Pórovitost

Beton je pórovitý materiál. Množství pórů výrazně ovlivňuje vlastnosti daného

kompozitu jako je pevnost, modul pružnosti a trvanlivost. Póry obsažené v betonu dělíme

do několika skupin:

21

1) Póry vyskytující se u nedokonale zhutněných betonových směsí, kde následně

dojde k nekvalitnímu vypuzení zachyceného vzduchu z betonu, které vytvoří

makrodutiny (kaverny).

2) Póry obsažené v použitém druhu kameniva. Týká se to např. lehčeného

kameniva, díky kterému se zvyšují tepelně izolační vlastnosti, ale zapříčiní pokles

pevnosti.

3) Sféricky uzavřené póry (bubliny) o velikost 0,05-0,3 mm vytvořené

provzdušňovacími přísadami. Tyto póry jsou žádoucí z důvodu zlepšení

mrazuvzdornosti kompozitu.

4) Póry vznikající mezi zrny hydratujícího cementu. Obvyklá velikost je 0,1-10 µm

podle vodního součinitele

5) Gelové póry o velikosti 1-10 nanometrů. Stanovují se pomocí adsorpce plynů

dusíku, hélia nebo vodní páry. [8]

Modul pružnosti

Tato vlastnost betonu je používaná pro výpočet deformací (smrštění, dotvarování,

průhyby). Mladý beton má menší modul pružnosti než beton vyzrálý. Modul pružnosti je

důležité stanovit u konstrukcí citlivých na přetvoření. Měření se dělá dle normy ČSN EN

12504-4 a ČSN 73 1371. Moduly pružnosti se dělí na statický a dynamický. Norma

ČSN 73 2011 říká, že mezi statickým a dynamickým modulem je vždy nějaký rozdíl,

který se se zvyšováním pevnostní třídy betonu zmenšuje. [13]

Dynamický modul pružnosti: pro stanovení dynamického modulu pružnosti jsou

používány metody rezonanční a ultrazvuková dle normy ČSN 73 1371,

ČSN EN 12504-4 a ČSN 73 1372. Hodnoty dynamického modulu pružnosti v tlaku a tahu

vypočteme pomocí naměřené hodnoty rychlosti šíření ultrazvukových impulsů. [13]

Statický modul pružnosti: modul pružnosti v tlaku se podle ČSN ISO 6784 zjišťuje

z deformací, které nastávají při známém zatížení. [13]

22

2.2.2 Mechanické vlastnosti – Pevnost

V tlaku – Prostý beton se vyznačuje vysokou pevností v tlaku, ale nízkou pevností

v tahu. Pro zlepšení tohoto nedostatku se do prostého betonu přidává ocelová výztuž

a vzniká tak vyztužený beton. Pevnost betonu v tlaku je měřena na normových vzorcích

tvaru krychle o rozměrech 150x150x150 mm (krychelná pevnost) nebo válcích

o rozměrech 150x300 mm (válcová pevnost) Obr. 3. [8]

Obr. 3: Vzorky pro krychelnou a válcovou zkoušku v tlaku. [14]

Rozdělení betonů dle ČSN EN 206-1:

Obyčejný beton: jedná se o klasický prostý beton s pevnostními třídami od C8/10 až

do C50/60. Pevnost v tlaku se pohybuje od 8 MPa do 60 MPa a pevnost v tahu za ohybu

je 1/6 až 1/10 pevnosti v tlaku. [15]

Vysokohodnotný beton (HPC), vysokopevnostní beton (HSC): jde o betony pevnostních

tříd C55/67 až C90/105 mimořádné kvality. Hodnota vodního součinitele pro HPC a HSC

se pohybuje v rozmezí 0,35-0,4. Jednou z podmínek pro tyto druhy betonů je nárůst

pevnosti v tlaku minimálně 17,5 MPa za 4 hodiny, 35 MPa za 24 hodin a 70 MPa

za 28 dní (stačí splnění jedné z uvedených hodnot). Další podmínkou trvanlivost betonu

daná součinitelem trvanlivosti po tří stech rozmrazovacích cyklech s hodnotou větší než

0,8. Třetí podmínka je velikost vodopojivostního součinitele (mvody / mc hmotnost všech

složek plnící funkci plniva) pod 0,35. Výhodou těchto betonu je vyšší odolností proti

působení CHRL, vyšší odolnost proti obrušování. Mezi nevýhody HSC patří vyšší

křehkost. [15]

Ultravysokohodnotný beton (UHPC): beton mimořádné kvality a vysokých pevností

v tlaku. Pevnostní třídy jsou C135/150 tedy pevnosti v tlaku větší než 150 MPa a v tahu

23

větší než 15 MPa. Hodnota vodního součinitele ultravysokohodnotného betonu v rozmezí

0,15-0,3. [15]

V tahu – Zkouška pevnosti v tahu za ohybu se provádí na betonových trámcích

o rozměrech 40x40x160 mm. Minimální počet zkoušených vzorků jsou 3 trámečky

(stejně tak u měření pevnosti v tlaku). Podle uložení trámečků se jedná o tříbodový nebo

čtyřbodový ohyb (Obr. 4). Výsledkem těchto měření jsou charakteristické hodnoty, které

jsou poté přepočítávány do hodnot návrhových. [16]

Obr. 4: Zkouška pevnosti ve čtyřbodovém tahu za ohybu. [16]

Rozdělení betonů dle ČSN EN 12390-5:

Prostý beton: pevnost v tahu ohybu u běžného betonu je skoro desetinová oproti pevnosti

v tlaku. Pohybuje se v rozmezí od 0,8 MPa (C8/10) do 6 MPa (C55/60). [16]

Beton s přidanou prutovou výztuží: ocelové pruty se záměrně přidávají do betonu

z důvodů vysoké pevnosti oceli v tahu. Zvýšení únosnosti je dáno množstvím přidané

výztuže a průměrem prutů. Pevnost je dána pevností v tahu oceli. Po vzniku prvních

mikrotrhlin v betonu se aktivuje výztuž a přebírá tahové zatížení. [16]

Beton s přidanými drátky: i drátky jsou do betonu přidávány za účelem zvýšení pevnosti

betonu v tahu. Materiálem jsou většinou ocelová vlákna, uhlíková vlákna. Pevnost je

v takovém případě zlepšena přibližně dvojnásobně (8 – 10 MPa). [16]

Charakteristická pevnost: (fck) je taková hodnota, která při zkoušce měření pevnosti

v tlaku s pravděpodobností 95% bude překročena. Znamená to, že tato hodnota

je spolehlivější a volí se proto, že beton, jakožto nehomogenní materiál, se vyrábí

na betonárnách při různých podmínkách okolí a z různě proměnných surovin, které mají

vliv na výslednou pevnost. [8]

Návrhová pevnost: (fcd) tato hodnota je používána pro navrhování konstrukcí která

se přiklání na stranu bezpečnosti, proto je charakteristická hodnota zmenšena 1,5x. [8]

24

2.2.3 Tepelně – fyzikální vlastnosti

Ve stavebních konstrukcích a v materiálech obecně dochází k přenosu tepla:

• Vedením v látkách (Kondukce)

• Prouděním látek (Konvekce)

• Zářením (Radiace)

Přenos tepla vedením, které může probíhat v látkách pevných, plynných i kapalných,

dochází předáváním kinetické energie neuspořádaných tepelných pohybů jednotlivých

stavebních částic ve spojitém látkovém prostředí. Nejlepší tepelnou vodivost tímto

způsobem mají především kovy. Kapaliny a plyny na tom nejsou tak dobře, plyn je

dokonce v tomto případě považován za dobrý tepelný izolant. [17]

Přenos tepla prouděním, stejně jako u přenosu vedením, dochází ve spojitém

látkovém prostředí. Dochází k němu však pouze v kapalinách a plynech. Samovolné

proudění je způsobeno tím, že se zahříváním v důsledku roztažnosti zmenšuje hustota

látek. Pokud vznikne mezi místem ohřevu a místem ochlazení v tekutině teplotní rozdíl,

ohřívaná část tekutiny stoupá při vytlačování ochlazené těžší části. Přenos tepla

prouděním v kapalinách a plynech převyšuje přenos tepla vedením. [17]

Přenos tepla zářením nepotřebuje spojité látkové prostředí. Tento druh tepla je

přenášen elektromagnetickým zářením. Pokud je tento přenos zprostředkován hlavně

infračerveným zářením, jedná se o přenos sáláním. [17]

Součinitel tepelné vodivosti λ [W m-1K-1]: Jde o charakterizující proces vedení tepla, které

vyjadřuje schopnost látky vést teplo a je vyjádřen číselnou hodnotou jako hustota

tepelného toku při gradientu teploty 1 K m-1 v látce a lze ho měřit stacionární či

nestacionární metodou. Součinitel tepelné vodivosti není pro žádný materiál stálou

hodnotou, neboť závisí na struktuře látky, pórovitosti, teplotě, tlaku a vlhkosti. Nejlepším

materiálem pro tepelnou vodivost jsou kovy, např. stříbro má 428 W m-1K-1, mezi

kapalnými látkami má voda 0,6062 W m-1K-1 a nejhůře vedou plyny, kde se suchý vzduch

dá považovat za tepelný izolant 0,0258 W m-1K-1. [17]

25

Součinitel teplotní vodivosti a [m2 s-1]: Jde o schopnost stejnorodého materiálu o známé

vlhkosti vyrovnávat teploty při neustáleném vedení tepla. Je znázorněn vztahem

acp

. Kde je součinitel tepelné vodivosti [W m-1 K-1], Cp je objemová tepelná

kapacita [J m-3K-1] a je objemová hmotnost měřeného materiálu Podle hodnoty

součinitele teplotní vodivosti lze soudit z rychlosti změny teploty v daném místě

materiálu změny jeho povrchové teploty. Když je hodnota teplotní vodivosti materiálu

vyšší, tím je teplota v daném místě materiálu závislejší na změně jeho povrchové teploty.

[18]

Měrná tepelná kapacita c [J kg-1K-1]: Tato fyzikální veličina ukazuje, jaké množství tepla

je potřeba dodat látce o známé hmotnosti, abychom ji ohřáli o 1°C (1 K).

Je znázorněna vztahem v

Cpc

. Kde Cp je objemová tepelná kapacita naměřená

přístrojem [J m-3 K-1], v je objemová hmotnost měřeného materiálu. Voda má měrnou

tepelnou kapacitu 4180 J kg-1 K-1 a např. led má 2090 J kg-1 K-1. Z toho vyplývá, že pro

ohřátí vody o 1 °C potřebujeme dvojnásobné množství energie než na ohřátí ledu. Proto

je voda vhodná jako kapalina do chladičů. Kovy jsou všeobecně známy jako materiál

s nízkou tepelnou kapacitou. [19]

2.2.4 Elektrické vlastnosti

Cementové kompozity ve vysušeném stavu neobsahují žádné volné nosiče

elektrického náboje. Jejich měrný elektrický odpor [m] se v plně vysušeném stavu

pohybuje kolem 109 m, díky čemuž se řadí mezi velmi dobré izolanty. Rostoucí vlhkost

cementových kompozitů má za následek snížení měrného elektrického odporu. To je

způsobeno ionty solí obsažených v pórovém roztoku. K výraznému snížení měrného

elektrického odporu dochází po přidání dostatečného množství elektricky vodivých

příměsí, které vytváří vodivé cesty. Dominantním nosičem náboje je v tomto případě

elektron. [20]

26

Elektrické veličiny ovlivněné přidáním vodivé fáze:

Nejčastěji se pro zlepšení vedení elektrického proudu používají materiály, které

nesnižují pevnost betonu v tahu. Nejvhodnějšími kandidáty jsou ocelová a uhlíková

vlákna (SF, CF). Pokud je vyžadováno snížení odporu bez nutnosti zlepšení

mechanických vlastností (např. self-sensing concrete, self-heating concrete, magnetic-

shielding concrete), mohou se použít i další vodivé fáze (např. CNTs, CFP, GP,....) [20]

Měrný elektrický odpor (rezistivita) [Ωm] je veličina vyjadřující objemový

elektrický odpor (elektrický odpor matriálu o délce 1 m a průřezu 1 m2). Podle velikosti

rezistivity se látky dělí do 3 skupin: [21]

Vodiče – Jde o látky, ve kterých se vyskytují nosiče volného náboje. Jedná se především

o kovy (tzv. vodiče první třídy), které obsahují vodivostní elektrony. Dalšími vodiči jsou

to roztoky elektrolytů (tzv. vodiče druhé třídy) obsahující volné ionty a ionizované plyny.

Zvláštní skupinou vodičů jsou tzv. supravodiče, které při průchodu elektrického náboje

nekladou žádný odpor. [21]

Polovodiče – Jsou pevné látky, které vykazují elektrické vlastnosti mezi izolanty a vodiči

v závislosti na vnějších nebo vnitřních podmínkách. Jedná se např. o křemík, germanium

(další materiály viz. Tab 5). Částice se při dodávání energie polovodičem jedná

o uvolňování elektronů (e-) z valenčních orbitalů atomů, které vytváří valenční pás –

excitaci. Velikost excitační energie se u polovodičů pohybuje mezi hodnotami vodičů

a izolantů. Volné elektrony způsobují elektronovou vodivost. Zároveň s uvolněným

elektronem vzniká na jeho původním místě tzv. kladná díra (+). To je místo vykazující

kladný elektrický potenciál. Kladné díry se přemisťují díky pohybu elektronů a tím je

způsobena tzv. děrová vodivost. Směr pohybu kladných děr je opačný oproti pohybujícím

se elektronům. [22]

Izolanty – (nevodiče, izolanty nebo dielektrika) jsou materiály, ve kterých není možný

volný pohyb elektrického náboje. V tabulce 5. jsou uvedeny příklady vodičů, polovodičů

a izolantů. [23]

27

Vodiče [10-8 Ωm] Polovodiče [Ωm] Izolanty [Ωm]

Rtuť 1,505 Křemík 3.1010 Jantar 10

18

Měď 1,555 GaP 1010 Sklo 10

11 - 1016

Zlato 2,04 C (diamant) 106 Plexisklo 10

13

Hliník 2,45 Germánium 0,47 PVC 1013

Železo 8,81 InAs 3.10-4 Bakelit 10

6 - 1012

Tab. 5: Rezistivity různých látek. [23]

Elektrické veličiny jako elektrický odpor R [], elektrická vodivost G [S], elektrická

kapacita C [F], impedance Z [], reaktance X [], admitance [S] a další se používají

k popisu chování elektrických součástek, případně k popisu chování kompozitních

materiálů při buzení střídavým elektrickým polem. [17]

Pro vyjádření elektrických vlastností cementových kompozitů ve stejnosměrném

elektrickém poli je vhodný popis pomocí dvou veličin: měrného elektrického

odporu [ m] a měrné elektrické vodivosti [S m-1]. Tyto veličiny jsou analogií

k elektrickému odporu R, resp. elektrické vodivosti G s tím rozdílem, že berou v úvahu

tvarový faktor (plochu a vzdálenost elektrod), de facto tak vyjadřují elektrický odpor

a elektrickou vodivost v objemu materiálu. [17]

Ačkoliv je popis chování cementových kompozitů ve stejnosměrném elektrickém poli

jistým zjednodušením, protože nebere v úvahu částečně kapacitní povahu těchto

materiálů a frekvenční závislost, ve výzkumu je velmi často používaný. [17]

2.3 Cementový kompozit s přidanou vodivou fází

Cementový kompozit se skládá ze stejných přísad jako běžný cementový kompozit.

Rozdíl je v přídavku funkčního plniva, od kterého si slibujeme zajištění elektrické

vodivosti, které je možné využít např. pro self-sensing concrete nebo self-heating

concrete. Vhodné množství funkčního plniva zajistí dostatečné zlepšení elektrické

vodivosti a zároveň žádné nebo minimální snížení ostatních vlastností betonu jako jsou

pevnost v tlaku, pevnost v tahu. [35]

Možným úskalím kompozitů s funkčním plnivem je obtížné a mnohdy komplikované

rovnoměrné rozptýlení částí. Proto je na rozmístění plniva (homogenizace) kladen velký

28

důraz. Některá plniva (např. CF, CNT, CNF, CFP) jsou dispergována ve vodním prostředí

pomocí homogenizátoru. [35]

2.3.1 Typy chytrých betonů

Self-sensing concrete – Přidáním funkčního plniva (CF, CNT, SF,) do běžného

cementového kompozitu je vyroben beton se speciálními vlastnostmi. Tento typ betonu

při mechanickém namáhání (tah, tlak) mění díky deformacím uvnitř materiálu své

elektrické vlastnosti, čímž můžeme detekovat problém. Běžně se testuje dynamické

namáhání a sensitivita daných příměsí. Na Obr. 5 je znázorněno využití self-sensing

concrete v dopravním snímání. [24]

Obr. 5: Příklad využití Self-sensing concrete pro automobilovou dopravu. [24]

Self-heating concrete – Jedná se o takový cementový kompozit, který za použití

elektrického proudu v závislosti na elektrickém odporu vytváří Jouleovo teplo. Klasický

cementový kompozit není elektricky vodivý, proto je jeho odpor příliš vysoký pro vznik

Jouleova tepla, které je základním předpokladem pro návrh self-heating concrete.

Jouleovo teplo – Dojde-li k průchodu elektrického proudu jakýmkoli materiálem, dojde

k zahřívání. V běžném životě se využívá každý den jako vlákno žárovky, rychlovarná

konvice, indukční plotýnka. V těchto případech se jedná o Jouleovo teplo, které je

žádoucí. Naopak nežádoucí je u motorů, transformátorů a dalších elektrospotřebičů, kde

může velké teplo způsobit zničení stroje. [25] Má vynikající potenciál pro domácí

i venkovní prostředí. Zejména pro rozmrazování sněhu a vyhřívání garáží, chodníků,

příjezdových cest, dálničních mostů a letištních ploch. Jeho použití můžu výrazně

eliminovat používání posypové soli, což má kladný dopad především na efektivitu

a ekologicky šetrnou alternativu. [24]

29

Předchozí zkoumání prokázalo, že self-heating concrete s CNT může zvýšit teplotu

plochy z 1,1 °C na 15,6 °C za 30 minut s průměrným vstupním výkonem přibližně

520 W/m2. [24]

Magnetic-shielding concrete – jedná se o druh betonu stínícího elektromagnetického

záření. Konstrukce tohoto typu mají schopnost tzv. Faradayovy klece. To je taková

konstrukce, která má schopnost vést elektrický náboj na svém povrchu, nikoli uvnitř

vodiče (např. automobil je Faradayova klec). Tedy v takovém případě nepůsobí uvnitř

vodiče žádné elektrické pole. Když tedy na povrch takové konstrukce pustíme elektrický

náboj, uvnitř nebude působit žádné elektrostatické pole. Faradayova klec se používá

na místech, kde chceme ochránit osoby od nebezpečného elektromagnetického záření

(např. radiologické stanice v nemocničních zařízení). [25]

Jedním z důvodů využívání tohoto druhu betonu je i ztlumení telefonního signálu

nebo znemožnění používaní různých druhů odposlouchávání. Takovými prostory mohou

být datová centra, měřící zařízení nebo ministerstva. [25]

2.3.2 Druhy vodivých fází

Částicové

GP – (graphite powder) grafitový prášek je forma uhlíku s vrstevnatou planární

strukturou. V každé vrstvě jsou atomy uhlíku uspořádány v tzv. voštinové mřížce

s oddělením 0,142 nm a vzdálenost mezi rovinami je 0,335 nm. Grafit je měkký a je

dobrým vodičem tepla a elektřiny. Má vysokou žáruvzdornost a stabilní chemické

vlastnosti. Společně s SF nebo CF je vhodný pro použití do self-sensing concrete.

V běžném užití je velmi užívanou surovinou pro výrobu tuh do grafitových tužek

(Obr. 6 a 7). [24] ………………………………

Obr. 6: Grafitový prášek GP. [26] Obr. 7: Grafitový prášek GP pod mikroskopem. [24]

30

NP – (nickel powder) niklový prášek je tvořený obrusem přechodného kovu niklu, který

je velmi tvrdý a tvárný, což z něj činí velmi dobrého uchazeče na místo funkčního plniva

do Self-sensing concrete. Výborné výsledky vykazuje u elektrických, tepelných a

magnetických vlastností a je velmi dobře odolný proti korozi. Niklový prášek tvoří

kulovité částice s ostrými nanošpičkami na jejich povrchu (Obr. 8 a 9). [24]

Obr. 8: Niklový prášek NP. [27] Obr. 9: Niklový prášek NP pod mikroskopem. [24]

CB – (carbon black) jsou uhlíkové saze tvořeny amorfním uhlíkem, který má vysoký

měrný povrch. Saze jsou charakterizovány dle velikosti částic. Průměrná velikost

primárních částí komerčních sazí se pohybuje v rozmezí od 10 nm do 400 nm, zatímco

u sazových agregátů jde o velikost až od 100 nm do 800 nm. Stanovení velikosti částic se

provádí laserovým analyzátorem částic. Výhodou sazí je velmi nízká objemová hmotnost,

vysoká chemická a tepelná stabilita, trvalá elektrická vodivost a oproti ostatním funkčním

vláknům nízká cena (odpadní materiál). [24]

Řadí se do různých kategorií podle výrobního procesu:

Kanálové saze se vyrábějí spalováním zemního plynu za přísunu kyslíku k řadě hořáků.

Saze jsou usazovány na chladném povrchu, kde jsou odebírány a dopravovány k dalšímu

zpracování. Nejprve jsou saze zbaveny gritu (velké spečené kousky) a pak lisovány, aby

se zvýšila objemová hmotnost, snížila se tak jejich prašnost a zlepšily se podmínky pro

její aplikování. [28]

Retortové saze se v dnešní době vyrábějí převážně z těžkých aromatických olejů.

Hlavním principem je nedokonalá oxidace suroviny, jemně rozprášené do prostoru retorty

vyzděné ohnivzdorným materiálem a rozpálené na 1200 °C–1500 °C. Saze směřují

31

s proudem spalin do chladících prostorů, kde jsou shlazeny vodou. Studené saze jsou

zachyceny v cyklonech. Poté se lisují (ze stejného důvodu jako kanálové saze). Výhodou

tohoto postupu je vetší množství získaných sazí než u kanálové metody a celkově se

retortovou metodou vyrobí 95% všech sazí. [28]

Termické saze se získávají pomocí tepelného rozkladu plynů nebo olejů bez přítomnosti

vzduchu. Princip výroby spočívá ve střídavém rozpálením vyzdívky speciální komory

(cca 1200 °C), spalováním suroviny v přebytku vzduchu, a pak se vhání surovina bez

vzduchu. Saze jsou vháněny do cyklonu. Po vychladnutí komory se cyklus opakuje.

Výsledné saze jsou specifické velkými částicemi a patří k sazím neaktivním. [28]

Lampové saze se vyrábějí nedokonalým spalováním kapalných uhlovodíků získaného

hlavně z černouhelného dehtu. Usazování probíhá v cyklonech, usazovacích komorách

nebo filtrech. Jde o první metodu výroby sazí a je nejneefektivnější metodou. [28]

Vodivé saze se vyrábějí kontinuálním rozkladem acetylenu v kovových reaktorech

vyloženým žáruvzdorným zdivem při teplotách 800 °C–1000 °C. Jedná se o exotermní

reakci, proto musí být reaktor neustále chlazen, aby nedošlo k explozi. [28]

Vláknité

CF – (carbon fiber) uhlíková vlákna jsou vyrobena z uhlíkových krystalů uspořádaných

v podélné ose (Obr. 10). Uhlíková vlákna je vhodné přidávat do cementového kompozitu

pro jejich velké množství výhod, kterými disponují. Jde především o vysokou pevnost,

nízkou měrnou hmotnost, velkou tepelnou odolnost a vysoký modul pružnosti. Uhlíkové

vlákno se připravuje v prvním kroku karbonizací primárního vlákna. Musí se dávat pozor,

aby nedošlo k přílišnému zahřátí a rozpadu na mikroskopické části vlákna. Je používán

proces zvlákňování. [29]

Obr. 10: Porovnání velikosti CF s lidským vlasem. [24]

32

CNF – (carbon nanofibers) uhlíková vlákna. Jedná se o druh kvazi-jednorozměrných

nanočástic uhlíkových vláken. Mohou být rozděleny na duté uhlíky nanovláken a pevné

oxidy nanovláken. Průměr je obvykle v rozmezí od 10 do 500 nm a délka do 0,5

do 200 mm (Obr. 11). CNF s vyšší krystalickou orientací mají skvělý potenciál

pro elektrickou a tepelnou vodivost v kompozitech. Především díky dobrým vlastnostem

uhlíkových nanovláken jimiž jsou nízká hustota, vysoký modul pružnosti, vysokou

pevnost vysokou vodivost a tepelnou stabilitu cementového kompozitu. [24]

Obr. 11: Snímek skupiny CNF pod mikroskopem. [30]

CNT – (carbon nanotubes) uhlíkové nanotrubičky se dělí do dvou skupin: Jednostěnné

(SWCNTs), jsou bezdefektní a mají obvykle průměr okolo 1 nm a délku 5 µm. Vykazují

výbornou elektrickou a tepelnou vodivost. Vícestěnné (MWCNTs) se skládají z několika

SWCNTs a mají vnitřní vzdálenost do 0,36 nm. I když se jedná o skupinu SWCNTs, mají

velmi odlišné vlastnosti, protože jejich spojením dojde k výraznému ovlivnění jejich

vlastností (Obr. 12). [31]

Obr. 12: SWCNTs a MWCNTs. [31]

33

SF – (steel fiber) ocelová vlákna různých délek a tvarů se již poměrně dlouho používají

ke snížení vzniku trhlin (Obr. 13). Mísení probíhá volným přisypáváním do čerstvé směsi.

Vlákna se používají buď bez povrchové úpravy – ze surové oceli, nebo s povrchovou

úpravou – pocínovaná nebo pozinkovaná. Ideální množství ocelových vláken

v cementovém kompozitu má pozitivní vliv na fyzikální a mechanické vlastnosti, což

výrazně zvyšuje odolnost proti praskání, nárazu, únavě, ohýbání a trvanlivosti. Bylo

zjištěno, že nejvhodnějšími rozměry do Self-sensing concrete jsou délka 32 mm a průměr

0,64 mm. [24]

Obr. 13: Cementový kompozit s SF. [32]

34

EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST

3. Cementový kompozit s přidanými uhlíkovými

vlákny

Pro experimentální část bakalářské práce byla jako vodivá fáze vybrána uhlíková

vlákna (CF), tedy vláknitý druh vodivé fázé. CF je typ uhlíkových vláken (viz. Str. 19),

který se přidává do kompozitu pro zlepšení elektrických vlastností, ale je od něj

očekáváno i zlepšení v tahu za ohybu. Byly provedeny mechanické zkoušky

na trámečcích o rozměrech 40 x 40 x 160 mm, elektrické vlastnosti na vzorcích

o rozměrech 40 x 40 x 20 mm a tepelné vlastnosti na krychlích o rozměrech

70 x 70 x 70 mm.

3.1 Složení směsí

Cement: Byl použit portlandský cement CEM I 42,5 R (Obr. 14). Jedná se o cement

s rychlým nárůstem pevnosti, rychlým a vysokým vývinem hydratačního tepla a dobrou

stálostí fyzikálních a chemických vlastností. Minimální pevnost po 28 dnech je 42,5 MPa.

Cement byl uchováván na paletě v suchu bez možnosti kontaktu s vodou, aby nedošlo

k jeho navlhnutí.

Obr. 14: Portlandský cement CEM I 42,5R, výrobce Českomoravský cement. [35]

35

Kamenivo: Jako kamenivo byl zvolen křemičitý písek s velikostí zrn 0,063 – 1,2 mm

(Obr. 15). Byl použit jemný písek, aby kamenivo neovlivnilo měření mechanických,

tepelných či elektrických vlastností v malých vzorcích. Rovněž i kamenivo bylo

uchováváno na paletě v suchu, aby případná zvýšená vlhkost neměla vliv na vodní

součinitel cementového kompozitu a tím i na mechanické vlastnosti.

Obr. 15: Křemičitý písek, výrobce Sklopísek Střeleč. [35]

Voda: Byla použita běžná pitná voda z vodovodního řadu, která byla řádně dávkována,

aby nedošlo ke změně stupně konzistence směsí.

CF: Funkčním plnivem byla uhlíková vlákna. Pro dobrou elektrickou vodivost, vysokou

pevnost, nízkou měrnou hmotnost, velkou tepelnou odolnost a vysoký modul pružnosti

se hodí pro většinu „chytrých“ betonů (Self-sensing concrete, Self-heating concrete,

Magnetic-shielding concrete). Výhodou je, že i relativně malé množství vláken (1-4%)

způsobí požadovaný efekt, což je výhodné z ekonomického hlediska. Vlastnosti CF jsou

uvedeny na Obr.11. Problematickou částí je jejich přimíchání do cementového

kompozitu. Nelze je přimíchat do směsi volně jako například kamenivo. Nejprve musí

být zhomogenizovány ve vodní lázni. Zhomogenizovaná suspenze se následně přidává

do směsi s ohledem na korekci vodního součinitele.

36

Tab. 6: Základní vlastnosti použitých CF.[31]

3.2 Homogenizace uhlíkových vláken

Homogenizace uhlíkových vláken je zásadní pro výstavbu vodivé sítě v cementovém

kompozitu. Jde o proces, pomocí kterého dojde k maximálnímu rozptýlení vláken, které

jsou výrobcem dodány ve formě drobných pelet. Nemělo by dojít k tomu, že se vytvoří

místa s větším obsahem uhlíkových vláken, a tím i k oslabení konstrukce. Postup

homogenizace byl následující:

1) Zjištění potřebného množství uhlíkových vláken pro jednotlivé vzorky. Bylo

připraveno určité množství vody v nádobě, do kterého se přidalo dané množství

uhlíkových vláken. Roztok nemohl být příliš hustý, protože by nebylo možné

dobře rozmíchat vlákna ve vodě, ale nemohl být ani příliš řídký, aby nebyl

překročen vodní součinitel, proto byl zvolen maximálně 7% roztok (viz. tab. 7).

LUKOSAN – jde o látku homogenní směsi metylsilikonového oleje a aerogelu oxidu

křemičitého. Má dobrou odolnost proti změnám teplot a vykazují i malou změnu

konzistence. Jsou chemicky odolné, hydrofobní, ve vlhkém prostředí neoxidují a

zabraňují vzniku koroze. V našem použití je používán z důvodu odpěňování. Při

homogenizaci dochází k napěnění.

Triton x – Je neiontový, oktylfenol-ethoxylátový surfaktant s vynikajícím detergentem

používaným v mnoha aplikacích včetně textilií a agrochemikálií. [34]

Hodnota

3 mm

1750 kg/m3

350 g/l

4.275 MPa

225 GPa

1.90%

7 μm

1.380 μΩ cm

< 0.3 %

Tloušťka

Měrný elektrický odpor

Obsah vlhkosti

Pevnost v tahu

Modul pružnosti v tahu

Maximální protažení

Vlastnosti

Délka vlákna

Typická objemová hustota

Objemová hmotnost

37

2) Přidání speciálního přípravku napomáhalo rozptýlení vláken. Jednalo se

o přípravek s názvem Triton X® 100 (Obr. 16). Neředěný Triton X® 100 je čirá

vazná tekutina díky vodíkové vazbě jeho hydrofilních částí z polyethylenoxidu

a je dobře rozpustitelný ve vodě při cca 25°C. Bylo přidáno 0,5 % k hmotnosti

uhlíkových vláken.

Obr. 16: Přípravek Triton X® 100 pro lepší rozptýlení vláken. [35]

3) Další přidaným přípravek byl silikonový odpěňovač LUKOSAN (Obr. 17), který

snižoval napětí suspenze při homogenizaci za vysokých otáček

(cca 25.000 ot. min-1)

Obr. 17: Silikonový odpěňovač LUKOSAN. [35]

38

4) Po dokončení veškerého vážení a míchání byla suspenze připravena

na homogenizaci pomocí homogenizátoru ULTRA – TURRAX T18 (Obr. 18).

Rozptylování vláken v roztoku probíhalo přibližně 30-45 minut a bylo třeba

dohlížet na stav suspenze, aby bylo rozptýlení uhlíkových vláken kvalitní a

netvořily se hrudky slepených vláken (Obr. 19).

Obr. 18: Homogenizátor ULTRA – TURRAX T18 CF. [35]

Obr. 19: Srovnání zhomogenizovaných uhlíkových vláken. Nekvalitně

zhomogenizované (vlevo), kvalitně zhomogenizované (vpravo). [35]

39

3.3 Příprava směsí

Po homogenizaci uhlíkových vláken ve vodě bylo možné přistoupit k přípravě

cementové malty. Jako první byl do mísy pro míchání přidán křemičitý písek s cementem

(množství viz. Tab. 7). Proběhlo promíchání nasucho přibližně 60 sekund. Poté byl

přidáván roztok s uhlíkovými vlákny (pouze voda u referenčního vzorku viz. obr.20)

a případně upravené množství vody pro dodržení vodního součinitele a opět míchání

přibližně 60 sekund. Když byla hmota dostatečně rozmíchána přistoupilo se ke zkoušce

rozlití kužele na setřásacím stolku pro zjištění zpracovatelnosti.

Obr. 20: Přidávání vody k rozmíchanému cementu s pískem. [35]

Zkouška rozlití kužele: Pro naše účely byl použit malý kužel na setřásacím stolku dle

ČSN EN 1015-3. Jde o ocelový válec o výšce 60 mm položený na skleněném podkladu.

Oba materiály byly před použitím očištěny tkaninou, utřeny do sucha a následně byly

povrchy nastříkány jemnou vrstvou oleje. Kužel jsme umístili do středu skleněného

podkladu a plnili ho ve dvou etapách, přičemž po každé vrstvě byl hutněn deseti vpichy

kulatým nenasákavým dusadlem. Přebytečná malta byla odebrána a poté se odstranil

ocelový kužel. Po odstranění kuželu dojde k 15 ranám setřásacím stolkem, kdy dojde

k rozlití. U první zkoušené referenční malty bez přidané vodivé fáze s vodním

součinitelem 0,4 bylo sednutí velmi malé, které odpovídalo stupni konzistence S1

(Obr. 21), proto byl vodní součinitel zvýšen na konečných 0,52, kde zpracovatelnost byla

ideální (Obr. 22). Důležitým zjištěním bylo, že přítomnost uhlíkových vláken neměla vliv

na zpracovatelnost, proto nebylo nutné měnit vodní součinitel.

40

Složky/Materiál Ref CF CF CF CF CF CF CF

% vodivá fáze/CF 0,00% 0,50% 1,00% 1,50% 2,00% 2,50% 3,00% 3,50%

cement [g] 1250 1250 1250 1250 1250 1250 1250 1250

písek PG1 [g] 3750 3750 3750 3750 3750 3750 3750 3750

Suspenze [%] 0,00% 2,50% 5,00% 5,00% 5,00% 5,00% 7,00% 7,00%

Množství suspenze

[g]0 250 250 375 500 625 535 625

Množství vodivé fáze

v suspenzi [g]0 6,25 12,5 18,75 25 31,25 37,45 43,75

voda ze suspenze [g] -

CF0 243,75 237,5 356,25 475 593,75 497,55 581,25

teoreticky přidaná

voda [ml][g]650 400 410 290 180 60 150 70

voda celkem - ze

suspenze + přidaná

[ml/g]

650 643,75 647,5 646,25 655 653,75 647,55 651,25

w/c 0,52 0,52 0,52 0,52 0,52 0,52 0,52 0,52

Obr. 21: Sednutí kužele referenčního vzorku s vodním součinitelem 0,4. [35]

Obr. 22: Sednutí kužele referenčního vzorku s vodním součinitelem 0,52. [35]

Tab. 7: Složení směsí. [35]

41

0

500

1000

1500

2000

2500

Ref 0,50% 1,00% 1,50% 2,00% 2,50% 3,00% 3,50%

Objemová hmotnost [kg m-3]

3.4 Výroba vzorků

V rámci experimentu bylo připraveno 8 směsí, které obsahovaly různé procentuální

množství uhlíkových vláken (viz. Tab. 8), ze kterých byly vyrobeny 4 trámečky

o rozměrech 40 x 40 x 160 mm (Obr. 23). Pro zjištění mechanických vlastností byly

potřeba dle požadavků 3 trámečky, zkoušené v tahu za ohybu a v tlaku. Dále byly

vyrobeny krychle o rozměrech 70 x 70 x 70 mm (Obr. 23) pro měření součinitele tepelné

vodivosti, měrné tepelné kapacity a součinitele teplotní vodivosti. Čerstvé vzorky byly

přikryty fólií na 24 hodin. Poté byly odbedněny a vloženy do kádě s konstantní vlhkostí

po dobu 28 dní. Po uplynulé době bylo možné provést jednotlivé zkoušky.

Obr. 23: Vzorky na vibračním stole. [35]

3.5 Experimentální výsledky

3.5.1 Objemová hmotnost

Objemová hmotnost jednotlivých vzorků se pohybovala v rozmezí od 1979 kg m-3

do 2128 kg m-3 (Obr. 24) a výrazně se s množstvím CF neměnila.

Obr. 24: Objemová hmotnost kompozitů. [35]

42

41695

3720740166

37325

3112534802 34304

30887

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

Ref 0,50% 1,00% 1,50% 2,00% 2,50% 3,00% 3,50%

Dynamický modul pružnosti [MPa]

3.5.2 Dynamický modul pružnosti

Dynamický modul pružnosti byl stanoven pomocí ultrazvukové impulsové metody,

která je založena na zjišťování impulsové rychlosti dle ČSN EN 12504-4. [13] Princip

zkoušky spočívá v měření doby průchodu impulsu ultrazvukového vlnění mezi sondami

(viz. Obr. 25). Kontakt mezi sondami a měřeným vzorkem musí být dostatečný, proto

musela být nanesena tenká vrstva akustického sono gelu. Impulsovou rychlost šíření

zjistíme výpočtem z času šíření a délky měřící základny podle vztahu.

Edyn,U = D . vl2 . (1/k2) . 10-6 [N mm-2] (13)

Kde D je objemová hmotnost [kg m-3], vl je rychlost šíření ultrazvukového impulsu

[m s-1] a k je koeficient rozměrnosti prostředí [-]. Z Obr. 26 je patrná klesající tendence,

která kolísá u vzorků s 0,5 % a 2 % CF. S nižším modulem pružnosti hrozí tvorba

drobných trhlinek, dochází k pomalejšímu šíření zvuku konstrukcí a povrch je měkčí.

V našem případě je to ovlivněno fyzikálními vlastnostmi CF. Těmto ztrátám by se dalo

předejít např. snížením vodního součinitele nebo změnou čáry zrnitosti kameniva.

Obr. 25: Měření dynamického modulu pomocí ultrazvuku. [35]

Obr. 26: Dynamický modul kompozitů. [35]

43

3.5.3 Pevnost v tahu za ohybu

Zkouška byla prováděna na třech trámcích každé směsi o rozměrech

40 x 40 x 160 mm. Před zkouškou bylo potřeba změřit přesnou geometrii každého

trámečku, a pak ho správně uložit do lisu (Obr. 27). V našem případě byl měřen tříbodový

ohyb. Vyjádření výsledků bylo pomocí vztahu 𝑓𝑑 =𝐹.𝑙

𝑑1.𝑑22 [MPa]. Kde F je maximální

zatížení [N], l je vzdálenost mezi opěrnými válečky [mm], d1 a d2 jsou rozměry příčného

řezu vzorku [mm]. Výsledky celé zkoušky jsou znázorněny na Obr 28. Hodnoty pevností

v tahu se pohybovaly mezi hodnotami 6,8 MPa a 7,5 MPa. Nejnižší hodnoty byly

naměřeny u referenčního vzorku bez použitého funkčního plniva. Naopak nejvyšší

pevnosti v tahu dosáhl vzorek se 2 % uhlíkových vláken. Ovšem vyšší množství než 2,5

% má za následek opětovné klesání pevnosti v tahu za ohybu.

Obr. 27: Trámeček vhodně umístěný v lisu. [35]

Obr. 28: Pevnost v tahu za ohybu v závislosti na objemové hmotnosti. [35]

6,4

6,6

6,8

7,0

7,2

7,4

7,6

0

500

1000

1500

2000

2500

Ref 0,50% 1,00% 1,50% 2,00% 2,50% 3,00% 3,50%

Pevnost v tahu za ohybu [MPa]

Objemová hmotnost [kg/m3] Tah za ohybu [MPa]

44

3.5.4 Pevnosti v tlaku

Zkouška byla prováděna na rozlomených vzorcích z předchozí zkoušky pevnosti

v tahu za ohybu. Tyto vzorky o rozměrech 40 x 40 mm (délka v této zkoušce nemá žádný

vliv na výslednou pevnost) byly opět umístěny do lisu a každý vzorek byl rozdrcený

(Obr. 29). Lis působil tlakovou silou, výsledný tlak na plochu byl přepočítán dle

jednoduchého vztahu 𝐹𝑐𝑑 = 𝐹

𝑆 [MPa]. Kde F je síla lisu [N], S je plocha tlačeného vzorku

[mm2]. Výsledky jsou zobrazeny na Obr. 30 a je viditelné, že přibývajícím množstvím

uhlíkových vláken kolísavě mění pevnost v tlaku. To je způsobeno vytvořenými póry

kolem jednotlivých vláken CF, které způsobují snížení objemové hmotnosti.

Obr. 29: Vzorek po zkoušce pevnosti v tlaku. [35]

Obr. 30: Pevnost v tlaku v závislosti na objemové hmotnosti. [35]

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

0

500

1000

1500

2000

2500

Ref 0,50% 1,00% 1,50% 2,00% 2,50% 3,00% 3,50%

Pevnost v tlaku a objemová hmotnost [MPa]

Objemová hmotnost [kg/m3] Pevnost v tlaku [MPa]

45

3.5.5 Měrná elektrická vodivost

Elektrické vlastnosti byly stanoveny na vzorcích rozřezaných z trámečků

o rozměrech 40 x 40 x 160 mm. K tomu bylo potřeba rozřezání jednoho trámečku na díly

o rozměrech 40 x 40 x 20 mm. Před měřením měrné elektrické vodivosti byly vzorky

vysušeny exsikátoru po dobu jednoho týdne. Poté byly jejich boční strany (40 x 40 mm),

které plnily roli elektrod, natřeny vodivou uhlíkovou pastou SPI Supplies (Obr. 31).

Obr. 31: Vzorek s CF příměsí potřený uhlíkovou pastou. [35]

Pomocí přístroje FLUKE 8846A s využitím čtyřelektrodového zapojení s DC

buzením byl změřen elektrický odpor. Měrný elektrický odpor materiálu Ωm] byl

následně stanoven s ohledem na tvarovou geometrii vzorků pomocí vztahu:

= R . (S/l)

Kde R [Ω] je naměřený elektrický odpor materiálu, S [m2] je plocha elektrod a l [m]

je vzdálenost mezi elektrodami. Výsledná měrná elektrická vodivost – [S m-1] byla

stanovena jako převrácená hodnota měrného elektrického odporu

= 1/

Měřením bylo potvrzeno, že uhlíková pasta, pomocí níž byly aplikovány rovinné

elektrody, je schopna zajistit dostačující kontakt materiálu s vodiči připojenými k danému

měřícímu přístroji. Závislost měrné elektrické vodivosti na množství uhlíkových vláken

je znázorněna na Obr. 32. Měrná elektrická vodivost se výrazně zvýší oproti referenčnímu

vzorku, ovšem potom se vzestup mírní a stoupá jen pozvolna, což z hlediska použitelnosti

pro self-heating concrete není dostačující hodnota. Musely by být provedeny další

zkoušky na vzorcích s vyšším procentuálním zastoupením uhlíkových vláken.

46

1,50

1,60

1,70

1,80

1,90

2,00

2,10

2,20

2,30

2,40

Ref 0,50% 1,00% 1,50% 2,00% 2,50% 3,00% 3,50%

Součinitel tepelné vodivosti [W m-1K-1]

Obr. 32: Závislost měrné elektrické vodivosti na množství CF. [35]

3.5.6 Tepelné vlastnosti

Tepelné vlastnosti cementového kompozitu s přidanou vodivou fází CF byly měřeny

na krychlích o rozměrech 70 x 70 x 70 mm. Měření probíhalo pomocí přístroje Isomet

2114 a byly vždy měřeny třikrát. Výsledná hodnota byla průměrem těchto tří měření:

Součinitel tepelné vodivosti m-1K-1je to hodnota říkající, jakou má daný materiál

schopnost vést teplo za určitý čas. Pro náš kompozit s přidanými uhlíkovými vlákny je

tepelná vodivost znázorněna na Obr. 33. Nejnižší hodnoty vykazovaly vzorky od 1,5 %

do 3 % uhlíkových vláken.

Obr. 33: Součinitel tepelné vodivost v závislosti na množství CF. [35]

7,22E-05

1,40E-041,60E-04

1,72E-041,84E-04

1,99E-04

2,25E-04 2,24E-04

0,00E+00

5,00E-05

1,00E-04

1,50E-04

2,00E-04

2,50E-04

Ref 0,50% 1,00% 1,50% 2,00% 2,50% 3,00% 3,50%

Měrná elektrická vodivost [S m-1]

47

Měrná tepelná kapacita c [J kg-1 K-1]: jde o hodnotu říkající, kolik energie musím dodat

látce, abych 1 kg ohřál o 1 °C. Vypočte se pomocí jednoduchého vztahu

v

Cpc

(34)

Kde Cp [W m-3K-1] je objemová tepelná kapacita změřená pomocí přístroje Isomet

2114 a v [kg m-3] je objemová hmotnost materiálu. Měrná tepelná kapacita našeho

kompozitu je znázorněna na Obr. 34. Opět byly nejideálnější vzorky s 1,5 % a 2 %

uhlíkových vláken.

Obr. 34: Měrná tepelná kapacita v závislosti na množství CF. [35]

Součinitel teplotní vodivosti: a (m2 s-1) hodnota znázorňující schopnost stejnorodého

materiálu o známé vlhkosti vyrovnávat teploty při neustáleném vedení tepla. [33] Výsledky

našeho měření jsou znázorněny na Obr. 35

Obr. 35: Součinitel teplotní vodivosti v závislosti na množství CF. [35]

9,00E-07

9,50E-07

1,00E-06

1,05E-06

1,10E-06

1,15E-06

1,20E-06

1,25E-06

1,30E-06

Ref 0,50% 1,00% 1,50% 2,00% 2,50% 3,00% 3,50%

Součinitel teplotní vodivosti [m2 s-1]

500,00

600,00

700,00

800,00

900,00

1000,00

Ref 0,50% 1,00% 1,50% 2,00% 2,50% 3,00% 3,50%

Měrná tepelná kapacita [J kg-1K-1]

48

4. Diskuze

Postupem času se s nároky na zlepšování kvality používaných materiálů začaly

zvyšovat rovněž nároky na kvalitu a současně míru použitelnosti cementových

kompozitů. Aspektem pro zvrat bylo použití tzv. funkčního plniva, protože tu najednou

byla možnost vyrobit cementový kompozit s takovými vlastnostmi, které samotný

obyčejný kompozit nemůže nikdy dosáhnout. Pro takové kompozity se začíná používat

název „chytrý beton“, který se čím dál více prosazuje do využívání ve stavebních

konstrukcích. Označení „chytrý beton“ tak znamená nejen zlepšení mechanické pevnosti,

především pevnosti v tahu za ohybu, ale primárně zlepšení elektrických vlastností, které

mění beton z izolantu na vodící materiál. To vše má za následek elektricky vodivé funkční

plnivo, které je základem pro „chytré betony“.

Předložená bakalářská práce pojednává o míře vlivu složení na mechanické, tepelné

a elektrické vlastnosti. Pozornost byla věnována především na množství uhlíkových

vláken v cementovém kompozitu pro dosažení takových elektrických vlastností, které

budou dostatečné pro vytvoření self-sensing concrete a self-heating concrete. Cílem této

práce bylo tedy připravit sérii vzorků s proměnným obsahem uhlíkových vláken a zjištění

jejich vlastností.

Nejprve byl vytvořen plán experimentů, na jehož základě bylo vytvořeno 8 typů

směsí, kde každá vytvořená směs obsahovala 4 vzorky. Z nich 3 byly použity

na mechanické vlastnosti a dynamický modul a jeden byl rozřezán na elektrické

vlastnosti. Při samotné přípravě směsí byly použity a kombinovány tyto materiály:

portlandský cement (42,5 R), jemný křemičitý písek (frakce 0,063 – 1,2 mm), uhlíková

vlákna rozmíchaná ve vodním prostředí pomocí homogenizačního přístroje a přesného

postupu. Dynamický modul pružnosti byl měřen po 28 dnech na všech vzorcích

o rozměrech 40 x 40 x 160 mm pomocí ultrazvukového přístroje. Hodnoty dynamického

modulu měly s přibývajícím množstvím uhlíkových vláken lehce klesající tendenci

a pohybovaly v rozmezí od nejvyšší hodnoty 41695 do 30887 MPa. Zlepšení modulu

pružnosti by bylo možné docílit zvolením kameniva s vyšší kvalitou. Mechanické

vlastnosti (pevnost v tahu za ohybu a v tlaku) jednotlivých vzorků byly měřeny po 28

dnech ve vlhkém prostředí pomocí lisu na třech trámcích o rozměrech 40 x 40 x 160 mm.

Pevnost v tahu za ohybu měla vzrůstající tendenci do 2 %, poté pevnost opět klesala.

49

Nejvyšší hodnota byla naměřena 7,5 MPa, což je vyšší hodnota než u prostého betonu

bez využití funkčního plniva.

Dalším úkolem bylo zjištění měrné elektrické vodivosti. K tomu byly použity

rozřezané vzorky o rozměrech 40 x 40 x 20 mm. K dosažení dostatečných vodivých

vlastností bylo nutné potřít kontaktní strany (40 x 40) uhlíkovou pastou. Pro měření byla

zvolena čtyř-vodičová metoda pomocí přístroje Fluke 2X4. Díky tomuto přístroji byl

změřen měrný elektrický odpor, který byl následně přepočítán na měrnou elektrickou

vodivost. U referenčního vzorku byla naměřena hodnota řádově nižší než u vzorků

(10-5 S m-1), které obsahovaly funkční plnivo. S rostoucím množstvím vláken rostla

i měrná elektrická vodivost až do hodnoty 2,25.10-4 S m-1. Nejedná se o hodnotu

dostatečnou pro vytvoření ideální vodivé sítě, což může být zapříčiněno nízkým

množstvím vláken či „kamínky“ písku.

Posledním úkolem bylo určení tepelně-fyzikálních vlastností (součinitel tepelné

vodivost a měrná tepelná kapacita). Tyto vlastnosti byly měřeny na vzorcích o rozměrech

70 x 70 x 70 mm. Na zcela vysušených vzorcích proběhlo měření pomocí přístroje

ISOMET. Hodnoty byly zapsány a následně vytvořené grafy ukázaly (viz Obr. 33

a Obr. 34), že vzorky v rozmezí 1,5 – 2 % vykazovaly nejlepší vlastnosti.

50

5. Závěr

Předmětem této bakalářské práce bylo nastínit možnosti použití betonu s elektricky

vodivými funkčními plnivy a uvést příklady, ve kterých by tento materiál mohl být

s výhodou použit. Cílem experimentální části byl návrh a výroba kompozitu

s dostatečným množstvím uhlíkových vláken a zároveň s minimálním snížením

mechanických vlastností.

V teoretické části byly popsány vlastnosti klasických cementových kompozitů bez

přidané vodivé fáze, jejich složky a rozdíly ve vlastnostech oproti cementovým

kompozitům s vodivou fází. Dále byla uvedena specifika jednotlivých funkčních plniv,

specifika technologie výroby a konkrétní případy při použití v praxi.

V rámci experimentální části byla navržena směs, která vykazovala nejlepší

vlastnosti. Bylo tedy ověřeno, že směs s 1,5 % uhlíkových vláken v kompozitu je

nejideálnějším řešením. Vykazovala pevnost v tahu za ohybu 7,45MPa. Byla sice nižší

než směs s 2 % (7,53 MPa), za to pevnost v tlaku měl téměř o 15 MPa vyšší. Měrná

tepelná kapacita byla na hodnotě 796,91 J kg-1K-1 a byla v tomto ohledu nejlepší ze všech

vzorků. Součinitel tepelné vodivosti měl na velmi dobré hodnotě. Porovnáním všech

těchto aspektů byl vzorek s 1,5 % uhlíkových vláken zvolen jako ideální kompozit. Dá se

tedy hovořit o zlepšení elektrické vodivosti oproti referenčnímu vzorku, ale hodnoty

nebyly natolik vysoké, aby bylo možné prohlásit vhodnost použití co self-heating

concrete.

Cíle práce byly naplněny. Případné další zkoumání by se mělo ubírat ke zlepšení

technologického procesu přípravy směsí, tj. dostatečná homogenizace vláken ve směsi,

která může být ověřena různými zobrazovacími metodami – obrazovou analýzou nebo

počítačovou tomografií. Vytvoření vodivé sítě by případně bylo vhodné pozorovat na

z hlediska struktury jednodušším cementovém kompozitu, cementové pastě. Dalším

zajímavým námětem pro budoucí výzkum je sledování elektrických vlastností

cementových kompozitů obsahujících kombinaci elektricky vodivých vláken a částic.

51

Seznam použité literatury a zdrojů

[1] DAĎOUREK, Karel. Kompozitní materiály definice a rozdělení [online].

Technická univerzita v Liberci [cit. 2017-05-15]. Dostupné z:

http://www.kmt.tul.cz/edu/podklady_kmt_magistri/KM/Kompozity%20Dad/02d

efrozd.pdf

[2] Kompozity [online]. [cit. 2013-02-12]. Dostupné z WWW:

http://www.volny.cz/zkorinek/

[3] BODNÁROVÁ, L. Kompozitní materiály ve stavebnictví. Brno: Akademické

nakladatelství CERM, 2002, 122 s. ISBN 80-214-2266-1.

[4] PYTLÍK, Petr. Technologie betonu. Brno: Vysoké učení technické, 1997. ISBN

80-214-0779-4.

[5] EBETON. Složení betonu, složky betonu [online]. [cit. 23.3.2017]. Dostupný na

WWW: http://www.ebeton.cz/pojmy/slozeni-betonu-slozky-betonu

[6] EBETON. Cement [online]. [cit. 23.3.2017]. Dostupný na WWW:

http://www.ebeton.cz/pojmy/cement

[7] SVOBODA, Luboš a kol. Stavební hmoty. Bratislava: Jaga, 2004,

ISBN 80-8076-007-1

[8] EBETON. Cement, normalizované označení [online]. [cit. 23.3.2017]. Dostupný

na WWW: http://www.ebeton.cz/pojmy/cement-normalizovane-oznaceni

[9] COLLEPARDI, Mario. Moderní beton. Praha: Pro Českou komoru

autorizovaných inženýrů a techniků činných ve výstavbě (ČKAIT) vydalo

Informační centrum ČKAIT, 2009. Betonové stavitelství. ISBN 978-80-87093-

75-7.

[10] eBeton. Přísady [online]. [cit. 2017-05-15]. Dostupné z:

http://www.ebeton.cz/pojmy/prisady

[11] Checmické přísady do betonu [online]. [cit. 2017-05-15]. Dostupné z:

http://www.mujbeton.cz/checmicke-prisady-do-betonu

52

[12] TZBINFO. Hodnoty fyzikálních veličin vybraných stavebních

materiálů [online]. [cit. 4.4.2017]. Dostupný na WWW: http://stavba.tzb-

info.cz/tabulky-a-vypocty/58-hodnoty-fyzikalnich-velicin-vybranych-

stavebnich-materialu

[13] TZBINFO. Dynamické a statické moduly pružnosti betonu [online]. [cit. 2017-

05-18]. Dostupné z: http://stavba.tzb-info.cz/beton-malty-omitky/10746-

dynamicke-a-staticke-moduly-pruznosti-betonu

[14] EBETON. Zkoušení betonu [online]. [cit. 4.4.2017]. Dostupný na WWW:

http://www.ebeton.cz/pojmy/zkouseni-betonu

[15] Technické podmínky TP 226. Vysokohodnotné betony pro mosty PK. Praha:

Ministerstvo dopravy ČR, Odbor s